SD卡在单片机上的应用

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SD卡在现在的日常生活与工作中使用非常广泛，时下已经成为最为通用的数据存储卡。在诸如MP3、数码相机等设备上也都采用SD卡作为其存储设备。SD卡之所以得到如此广泛的使用，是因为它价格低廉、存储容量大、使用方便、通用性与安全性强等优点。既然它有着这么多优点，那么如果将它加入到单片机应用开发系统中来，将使系统变得更加出色。这就要求对SD卡的硬件与读写时序进行研究。对于SD卡的硬件结构，在官方的文档上有很详细的介绍，如SD卡内的存储器结构、存储单元组织方式等内容。要实现对它的读写，最核心的是它的时序，笔者在经过了实际的测试后，使用51单片机成功实现了对SD卡的扇区读写，并对其读写速度进行了评估。下面先来讲解SD卡的读写时序。（1） SD卡的引脚定义

SD卡引脚功能详述：引脚编号SD模式SPI模式名称类型描述名称类型描述1CD/DAT3IO或PP卡检测/数据线3#CSI片选2CMDPP命令/回应DII数据输入3VSS1S电源地VSSS电源地4VDDS电源VDDS电源5CLKI时钟SCLKI时钟6VSS2S电源地VSS2S电源地7DAT0IO或PP数据线0DOO或PP数据输出8DAT1IO或PP数据线1RSV9DAT2IO或PP数据线2RSV注：S：电源供给 I：输入 O：采用推拉驱动的输出 PP：采用推拉驱动的输入输出SD卡SPI模式下与单片机的连接图：

SD卡支持两种总线方式：SD方式与SPI方式。其中SD方式采用6线制，使用CLK、CMD、DAT0"DAT3进行数据通信。而SPI方式采用4线制，使用CS、CLK、DataIn、DataOut进行数据通信。SD方式时的数据传输速度与SPI方式要快，采用单片机对SD卡进行读写时一般都采用SPI模式。采用不同的初始化方式可以使SD卡工作于SD方式或SPI方式。这里只对其SPI方式进行介绍。（2）SPI方式驱动SD卡的方法SD卡的SPI通信接口使其可以通过SPI通道进行数据读写。从应用的角度来看，采用SPI接口的好处在于，很多单片机内部自带SPI控制器，不光给开发上带来方便，同时也见降低了开发成本。然而，它也有不好的地方，如失去了SD卡的性能优势，要解决这一问题，就要用SD方式，因为它提供更大的总线数据带宽。SPI接口的选用是在上电初始时向其写入第一个命令时进行的。以下介绍SD卡的驱动方法，只实现简单的扇区读写。1） 命令与数据传输1. 命令传输SD卡自身有完备的命令系统，以实现各项操作。命令格式如下：

命令的传输过程采用发送应答机制，过程如下：

每一个命令都有自己命令应答格式。在SPI模式中定义了三种应答格式，如下表所示：字节位含义17开始位，始终为06参数错误5地址错误4擦除序列错误3CRC错误2非法命令1擦除复位0闲置状态字节位含义17开始位，始终为06参数错误5地址错误4擦除序列错误3CRC错误2非法命令1擦除复位0闲置状态27溢出，CSD覆盖6擦除参数5写保护非法4卡ECC失败3卡控制器错误2未知错误1写保护擦除跳过，锁／解锁失败0锁卡字节位含义17开始位，始终为06参数错误5地址错误4擦除序列错误3CRC错误2非法命令1擦除复位0闲置状态2～5全部操作条件寄存器，高位在前写命令的例程：C程序//-------------------------------------------------------------------------向SD卡中写入命令，并返回回应的第二个字节 //-------------------------------------------------------------------------unsigned char Write_Command_SD(unsigned char *CMD) {     unsigned char tmp;     unsigned char retry=0;     unsigned char i;     //禁止SD卡片选    SPI_CS=1;     //发送8个时钟信号    Write_byte_SD(0xFF);     //使能SD卡片选    SPI_CS=0;     //向SD卡发送6字节命令    for (i=0;i2） 初始化SD卡的初始化是非常重要的，只有进行了正确的初始化，才能进行后面的各项操作。在初始化过程中，SPI的时钟不能太快，否则会造初始化失败。在初始化成功后，应尽量提高SPI的速率。在刚开始要先发送至少74个时钟信号，这是必须的。在很多读者的实验中，很多是因为疏忽了这一点，而使初始化不成功。随后就是写入两个命令CMD0与CMD1，使SD卡进入SPI模式初始化时序图：



初始化例程：C程序//----------------------------------------------------------初始化SD卡到SPI模式 //----------------------------------------------------------unsigned char SD_Init() {     unsigned char retry,temp;     unsigned char i;     unsigned char CMD[] = {0x40,0x00,0x00,0x00,0x00,0x95};     SD_Port_Init(); //初始化驱动端口    Init_Flag=1; //将初始化标志置1    for (i=0;i3） 读取CIDCID寄存器存储了SD卡的标识码。每一个卡都有唯一的标识码。CID寄存器长度为128位。它的寄存器结构如下：名称域数据宽度CID划分生产标识号MID8[127:120]OEM/应用标识OID16[119:104]产品名称PNM40[103:64]产品版本PRV8[63:56]产品序列号PSN32[55:24]保留－4[23:20]生产日期MDT12[19:8]CRC7校验合CRC7[7:1]未使用，始终为1－1[0:0]它的读取时序如下：

?
                          
                       
                          
                                与此时序相对应的程序如下：C程序//------------------------------------------------------------读取SD卡的CID寄存器  16字节  成功返回0 //------------------------------------------------------------unsigned char Read_CID_SD(unsigned char *buffer) {     //读取CID寄存器的命令    unsigned char CMD[] = {0x4A,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};     unsigned char temp;     temp=SD_Read_block(CMD,buffer,16); //read 16 bytes    return(temp); } 4）读取CSDCSD（Card-Specific Data）寄存器提供了读写SD卡的一些信息。其中的一些单元可以由用户重新编程。具体的CSD结构如下：名称域数据宽度单元类型CSD划分CSD结构CSD_StrUCTURE2R[127:126]保留-6R[125:120]数据读取时间1TAAC8R[119:112]数据在CLK周期内读取时间2（NSAC*100）NSAC8R[111:104]最大数据传输率trAN_SPEED8R[103:96]卡命令集合CCC12R[95:84]最大读取数据块长READ_bL_LEN4R[83:80]允许读的部分块READ_bL_PARTIAL1R[79:79]非线写块WRITE_bLK_MISALIGN1R[78:78]非线读块READ_bLK_MISALIGN1R[77:77]DSR条件DSR_IMP1R[76:76]保留-2R[75:74]设备容量C_SIZE12R[73:62]最大读取电流@VDD minVDD_R_CURR_MIN3R[61:59]最大读取电流@VDD maxVDD_R_CURR_MAX3R[58:56]最大写电流@VDD minVDD_W_CURR_MIN3R[55:53]最大写电流@VDD maxVDD_W_CURR_MAX3R[52:50]设备容量乘子C_SIZE_MULT3R[49:47]擦除单块使能ERASE_bLK_EN1R[46:46]擦除扇区大小SECTOR_SIZE7R[45:39]写保护群大小WP_GRP_SIZE7R[38:32]写保护群使能WP_GRP_ENAbLE1R[31:31]保留-2R[30:29]写速度因子R2W_FACTOR3R[28:26]最大写数据块长度WRITE_bL_LEN4R[25:22]允许写的部分部WRITE_bL_PARTIAL1R[21:21]保留-5R[20:16]文件系统群FILE_OFRMAT_GRP1R/W[15:15]拷贝标志COPY1R/W[14:14]永久写保护PERM_WRITE_PROTECT1R/W[13:13]暂时写保护TMP_WRITE_PROTECT1R/W[12:12]文件系统FIL_FORMAT2R/W[11:10]保留-2R/W[9:8]CRCCRC7R/W[7:1]未用，始终为1-1[0:0]读取CSD 的时序：

相应的程序例程如下：C程序//-------------------------------------------------------------------读SD卡的CSD寄存器  共16字节  返回0说明读取成功 //-------------------------------------------------------------------unsigned char Read_CSD_SD(unsigned char *buffer) {     //读取CSD寄存器的命令    unsigned char CMD[] = {0x49,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};     unsigned char temp;     temp=SD_Read_block(CMD,buffer,16); //read 16 bytes    return(temp); } 4） 读取SD卡信息 综合上面对CID与CSD寄存器的读取，可以知道很多关于SD卡的信息，以下程序可以获取这些信息。如下： //----------------------------------------------------------------------//返回// SD卡的容量，单位为M// sector count and multiplier Mb are inu08 == C_SIZE / (2^(9-C_SIZE_MULT)) // SD卡的名称//----------------------------------------------------------------------void SD_get_volume_info() {     unsigned char i;     unsigned char c_temp[5];     VOLUME_INFO_TYPE SD_volume_Info,*vinf;     vinf=&SD_volume_Info; //Init the pointoer;    /读取CSD寄存器     Read_CSD_SD(sectorbuffer.dat);     //获取总扇区数    vinf->sector_count = sectorbuffer.dat[6] & 0x03;     vinf->sector_count sector_count += sectorbuffer.dat[7];     vinf->sector_count sector_count += (sectorbuffer.dat[8] & 0xc0) >> 6;     // 获取multiplier    vinf->sector_multiply = sectorbuffer.dat[9] & 0x03;     vinf->sector_multiply sector_multiply += (sectorbuffer.dat[10] & 0x80) >> 7;     //获取SD卡的容量    vinf->size_Mb = vinf->sector_count >> (9-vinf->sector_multiply);     // get the name of the card    Read_CID_SD(sectorbuffer.dat);     vinf->name[0] = sectorbuffer.dat[3];     vinf->name[1] = sectorbuffer.dat[4];     vinf->name[2] = sectorbuffer.dat[5];     vinf->name[3] = sectorbuffer.dat[6];     vinf->name[4] = sectorbuffer.dat[7];     vinf->name[5] = 0x00; //end flag} 以上程序将信息装载到一个结构体中，这个结构体的定义如下： typedef struct SD_VOLUME_INFO { //SD/SD Card info    unsigned int size_Mb;     unsigned char sector_multiply;     unsigned int sector_count;     unsigned char name[6]; } VOLUME_INFO_TYPE; 5） 扇区读扇区读是对SD卡驱动的目的之一。SD卡的每一个扇区中有512个字节，一次扇区读操作将把某一个扇区内的512个字节全部读出。过程很简单，先写入命令，在得到相应的回应后，开始数据读取。扇区读的时序：

扇区读的程序例程：C程序unsigned char SD_Read_Sector(unsigned long sector,unsigned char *buffer) {     unsigned char retry;     //命令16    unsigned char CMD[] = {0x51,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};     unsigned char temp;     //地址变换  由逻辑块地址转为字节地址    sector = sector >24 );     CMD[2] = ((sector & 0x00FF0000) >>16 );     CMD[3] = ((sector & 0x0000FF00) >>8 );     //将命令16写入SD卡    retry=0;     do     { //为了保证写入命令 一共写100次        temp=Write_Command_MMC(CMD);         retry++;         if(retry==100)         {             return(READ_bLOCK_ERROR); //block write Error!        }     }     while(temp!=0);     //Read Start byte form MMC/SD-Card (FEh/Start byte)    //Now data is ready,you can read it out.    while (Read_byte_MMC() != 0xfe);     readPos=0;     SD_get_data(512,buffer) ; //512字节被读出到buffer中    return 0; } 其中SD_get_data函数如下： //---------------------------------------------------------获取数据到buffer中 //---------------------------------------------------------void SD_get_data(unsigned int bytes,unsigned char *buffer) {     unsigned int j;     for (j=0;j6） 扇区写扇区写是SD卡驱动的另一目的。每次扇区写操作将向SD卡的某个扇区中写入512个字节。过程与扇区读相似，只是数据的方向相反与写入命令不同而已。扇区写的时序：

扇区写的程序例程：C程序//-----------------------------------------------------------------写512个字节到SD卡的某一个扇区中去  返回0说明写入成功 //-----------------------------------------------------------------unsigned char SD_write_sector(unsigned long addr,unsigned char *buffer) {     unsigned char tmp,retry;     unsigned int i;     //命令24    unsigned char CMD[] = {0x58,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};     addr = addr >24 );     CMD[2] = ((addr & 0x00FF0000) >>16 );     CMD[3] = ((addr & 0x0000FF00) >>8 );     //写命令24到SD卡中去    retry=0;     do     { //为了可靠写入，写100次        tmp=Write_Command_SD(CMD);         retry++;         if(retry==100)         {             return(tmp); //send commamd Error!        }     }     while(tmp!=0);     //在写之前先产生100个时钟信号    for (i=0;i此上内容在笔者的实验中都已调试通过。单片机采用STC89LE单片机（SD卡的初始化电压为2.0V"3.6V，操作电压为3.1V"3.5V，因此不能用5V单片机，或进行分压处理），工作于22.1184M的时钟下，由于所采用的单片机中没硬件SPI，采用软件模拟SPI，因此读写速率都较慢。如果要半SD卡应用于音频、视频等要求高速场合，则需要选用有硬件SPI的控制器，或使用SD模式，当然这就需要各位读者对SD模式加以研究，有了SPI模式的基础，SD模式应该不是什么难事。